DE19535989C2 - Chipmodul - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Chipmodul zum Einbau in einen Kartengrundkörper einer Chipkarte.

Chipkarten sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Die Anwendungsmöglichkeiten von Chipkarten sind äußerst vielsei­ tig und nehmen mit der steigenden Rechenleistung und Spei­ cherkapazität der verfügbaren, darin enthaltenen integrierten Schaltungen noch stetig zu. Damit geht jedoch eine Vergröße­ rung der einzubauenden integrierten Schaltungen (elektronische Bauelemente, Chips) einher.

Der Aufbau einer Chipkarte wird durch eine Vielzahl von Merkmalen bestimmt, die teilweise durch entsprechende Normen vorgegeben sind. Dies betrifft beispielsweise die Belastbar­ keit der Karte in Bezug auf UV-Strahlung, Röntgenstrahlung, sowie die mechanische Belastbarkeit des Kartenkörpers und der elektrischen Kontakte oder auch die Temperaturbeständigkeit.

Bei der überwiegenden Anzahl der Herstellungsverfahren für Chipkarten wird der Chip zunächst auf einen flexiblen Film montiert. Auf diesem Film befinden sich die notwendigen Kartenkontakte. Aus dem fertig montierten Film werden dann die einzelnen Chipmodule ausgestanzt. Die Chips sind dabei mittelbar über den Träger des Modules in der Karte befestigt. Dies hat den Vorteil, daß Biegekräfte vom Chip ferngehalten werden. Der Chip ist dabei mit seiner Rückseite auf dem flexiblen Film montiert. Die auf seiner Vorderseite befindli­ chen elektrischen Anschlußflächen werden über Bonddrähte mit Kontaktierungen verbunden, die durch den flexiblen Film hindurch mit den Kartenkontakten verbunden sind. Die Chipvor­ derseite einschließlich der genannten Drähte wird in der Regel mit einer Abdeckung, beispielsweise einer Kunststoff­ masse, vor Korrosionseinflüssen geschützt. Die genannten Ausführungen sind Teile von üblichen Verfahren zur Verpackung von Chips in Standardgehäusen.

Chipmodule für kontaktbehaftete Chipkarten werden nach dem heutigen Stand der Technik durch drei Grundtechnologien mon­ tiert:

• a) Cyanacrylat-Klebetechnik
• b) Hot-Melt-Klebetechnik
• c) Contact-Adhäsiv-Klebetechnik.

Die unter c) genannte Technik wird auch Pressure-Sensitive- Klebung genannt. Dabei führt die durch mechanischen Druck er­ zeugte Scherspannung in der Klebeschicht zu einer Visosi­ tätserniedrigung des Klebstoffes, der den physikalischen Kon­ takt zum Verbindungselement, z. B. Kartengrundkörper, her­ stellt bzw. verbessert. Ein Beispiel für eine einlagige Hot- Melt-Klebetechnik liefert die deutsche Offenlegungsschrift DE 36 39 630 A1. Ein Beispiel einer mehrlagigen Cyanacrylat- Klebetechnik liefert die europäische Patentanmeldung EP 0 527 438 A2.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 43 25 458 A1 offenbart wei­ terhin ein Trägerelement mit einem elektronischen Baustein zum Einbau in einen Kartenkörper bestehend aus einem Substrat, metallischen Kontaktflächen, Durchkontaktierungen und einer zwischen Substrat und Baustein zwischenliegenden Klebstoffschicht 14.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 42 32 625 A1 wird ein Verfahren zur Montage von integrierten Halbleiterschaltkrei­ sen. Dieses Verfahren bezieht sich allgemein auf die Montage eines elektronischen Bausteines mit Hilfe einer doppelseitig beschichteten Klebefolie, die auf einem Leiterrahmen aufgebracht ist und eine Aussparung für die Plazierung des Chips auf­ weist. Durch die anschließende Umspritzung mit Vergußmasse wird die Stabilität erzeugt.

Die franz. Patentanmeldung FR 2 639 763 A1 betrifft ein elektro­ nisches Chipmodul, dessen Mittel zur elektrischen Verbindung mit äußeren Kontakten korrespondieren und daß zum Schutz des elektronischen Bausteines teilweise mit einem Kunststoff um­ hüllt wird.

In der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 25 712 A1 wird ein Verfahren zum Verkapseln von elektrischen und elektronischen Bauelementen genannt, das gasdichte und korrosionsschützende Metalldurchführungen erzeugt. Durch die zunächst an entspre­ chenden Stellen aufgebrachten thermischen Isolationsschichten aus Kunststoff wird beim Spritzgießen die Abführung von Wärme behindert, so daß die flüssige Phase des thermoplastischen Kunststoffes beim Spritzgießen länger aufrechterhalten bleibt. Dies bewirkt eine verbesserte Oberflächenhaftung.

Für die Dauerhaltbarkeit einer Chipkarte ist insbesondere die Qualität der Verbindung zwischen dem Chipmodul und dem Kar­ tenkörper maßgebend. Wird beispielsweise ein Chipmodul in ei­ ne in einen Kartenkörper ausgefräste Ausnehmung eingesetzt und dort eingeklebt, so kann dies mit einer wesentlichen Tem­ peraturbelastung verbunden sein, wenn beispielsweise ein Hot- Melt-Klebstoff eingesetzt wird.

Unter Chipmodul wird ein Chipträger verstanden, der auf der Kontaktseite acht Kontakte aufweist. Auf der gegenüberliegen­ den Seite ist ein Halbleiterchip plaziert, der sich zwischen diesen Kontakten der Chipkarte befindet, d. h., der lateral gesehen, direkt gegenüber liegt. Während die Cyanacrylat- und die Contact-Adhäsiv-Klebetechnik mit niedrigen Prozeßtempera­ turen zur Modulmontage auskommen, ist ein wesentliches Kenn­ zeichen der Hot-Melt-Klebetechnik die vergleichsweise hohe Einbautemperatur. Übliche Temperaturen liegen im Bereich von 200 bis 250°C. Während der Modulimplantation, die weniger als 1,5 Sekunden dauert, wird bei dieser Verfahrensweise eine große Wärmemenge in das Chipmodul eingekoppelt. Damit wird nicht nur die Klebstoffschicht erwärmt, die das Chipmodul mit dem Kartengrundkörper verbindet, sondern auch das Chipträge­ relement, der Halbleiterchip und die Abdeckmasse. Dabei ist gleichzeitig zu berücksichtigen, daß der Aufbau eines Chipmo­ dules mehrere Bestandteile aus unterschiedlichen Werkstoffen beinhaltet. So kann die flexible Folie, der Träger, bei­ spielsweise aus einem Epoxidharz bestehen. Die einseitig darauf aufgebrachten Kontakte bestehen aus einem Metall, der Halbleiterchip aus einem Kristall, beispielsweise Silizium, die Bonddrähte aus Metall und die für die Chipvorderseite vorgesehene Abdeckmasse aus einem Kunststoff. Wird dieses System einer größeren Temperaturschwankung unterworfen, so können sog. Delaminationen, d. h. Auftrennungen zwischen aneinanderliegenden Schichten, die Folge sein. Bei einem Chipmodul der genannten Art ist die Verbindung, in der Regel eine Klebeverbindung, zwischen Chip und Träger unkritisch. Die kurzzeitige Erwärmung des gesamten Systemes führt aber nach längeren Lager- und Transportzeiten der Module zu loka­ len Defekten in der Abdeckmasse, die als Delamination be­ zeichnet werden. Delaminationen zwischen dem Chip und der Abdeckmasse können zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall des Chipmodules führen. Dies ist darin begründet, daß eine Dela­ mination in diesem Bereich ein Abreißen von elektrischen Leitern, nämlich den Bonddrähten, durch die der Chip mit den äußeren Kontakten verbunden ist, nach sich zieht. Das obenge­ nannte Hot-Melt-Verfahren zum Einkleben eines Chipmodules in einen Kartenkörper ist mit einer entsprechend hohen Wärmebe­ lastung des Chipmodules verbunden.

Die unter ultraviolettem Licht aushärtenden Abdeckmassen sind besonders anfällig in bezug auf eine Delamination. Ursache hierfür sind die thermisch induzierten Spannungen im Gesamt­ system des Chipmodules. Diese Spannungen existieren auf Grund von dilathermischen Fehlanpassungen zwischen Halbleiterchip, Chipträgerelement und Abdeckmasse. Die diesbezüglichen Tempe­ raturausdehnungskoeffizienten verhalten sich in gleichen Temperaturbereichen wie 2,5:10 : 18. Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Delaminationen steigt mit der Vergrößerung des Halbleiterchips und der Erhöhung der Transport- und Lager­ zeit. In der genannten Zeit nimmt die Abdeckmasse aus der Umgebungsluft Feuchtigkeit auf, die zu einer Materialausdeh­ nung führt, was auch als Quellung bezeichnet wird. Die Quel­ lung der Abdeckmasse und die kurzzeitige starke Erwärmung des Modules beim Einbau in den Kartengrundkörper, sind verant­ wortlich für hohe Ausschußraten nach dem Einbau. Dies ist insbesondere bei Chipmodulen der Fall, die einen großflächi­ gen Chip besitzen. Solche Chips werden als Mikrokontroller und/oder Cryptokontroller bezeichnet.

Bisherige Maßnahmen, die Nachteile aus dem Stand der Technik auszuschalten, bestanden in der Entwicklung, Auswahl und Erprobung von Abdeckmassen, die eine geringe Aufnahme von Feuchtigkeit besitzen, sowie in Maßnahmen, die zu einer Erhöhung der Abdeckmassenadhäsion, wie beispielsweise höherer Rauhigkeit der Chipträgeroberfläche, führen. So wurden bei­ spielsweise Abdeckmassen eingesetzt, die mit Haftvermittler (Silan-/Siloxan-Basis) versehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Chipmodul für den Einbau in Chipkarten bereitzustellen, bei dem eine Dela­ mination zwischen einer Abdeckmasse und einem elektronischen Bauelement mit daraus resultierendem Funktionsverlust des Chipmoduls bei einem Verbindungsverfahren zwischen Chipmodul und Kartenkörper unterbunden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch Chipmodule mit den Merkmalen der Ansprüche 1 oder 4.

Zum Einbau eines Chipmodul es in den Kartenkörper einer Chip­ karte muß bei verschiedenen Verfahren eine bestimmte Wärme­ menge von außen eingebracht werden. Dies geschieht durch externe, beispielsweise in einem Stempel erzeugte, Wärme, die durch Aufsetzen des Stempels auf das Chipmodul in dieses übergeleitet wird. Die Wärmeeinbringung hat die Temperaturer­ höhung an den Orten bzw. Flächen zum Ziel, an denen etwa eine Klebeverbindung zwischen dem Träger des Chipmodul es und dem Kartenkörper herzustellen ist. Eine Wärmeleitung in andere Bereiche des Chipmodules sollte minimiert werden. Da bei der Herstellung einer Klebeverbindung ein wärmeabgebender Hohl­ stempel auf den auf der flexiblen Folie angeordneten Kontak­ ten aufsetzt und über diese die Wärmemenge in das Chipmodul einkoppelt wird, kann jedoch eine wesentliche Wärmeleitung in Richtung auf den Chip nicht unterbunden werden. Da die Wärmeleitfähigkeit der ebenfalls mit der flexiblen Trägerfo­ lie in Kontakt stehenden Abdeckmasse gering ist, geht eine wesentliche Menge der eingebrachten Energie von der flexiblen Trägerfolie über eine Klebstoffschicht in den Chip. Dies führt nicht nur zur Erhitzung des Chips, sondern auch zur Delamination in dem Kontaktbereich zwischen Chip und Abdeck­ masse.

Um dies zu unterbinden, wird eine Wärmeisolierschicht zwi­ schen der Klebstoffschicht und dem Chip eingebracht. Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht gezielt plazierte Aussparun­ gen in den metallischen Kontakten vor, auf die ein Hohlstem­ pel zur Wärmeeinleitung aufsetzt. Verhindert der Einsatz einer Wärmeisolierschicht zwischen dem Chip und der Kleb­ stoffschicht, die den Chip mit dem Modul verbindet, die Wärmeleitung innerhalb des Modules in Richtung Chip, so verhindern Aussparungen in den metallischen Kontakten die laterale, d. h. in der Fläche der Metallkontakte liegende Wärmeleitung. Nachdem der Hohlstempel annähernd ringförmig in dem äußeren Bereich des Chipmoduls auf den metallischen Kontakten aufsetzt, und der Chip auf der gegenüberliegenden Seite des Trägers des Chipmodul es annähernd konzentrisch zu den metallischen Kontakten angeordnet ist, liegt der Chip auch im inneren Bereich relativ zum Hohlstempel betrachtet. Davon ausgehend ist ersichtlich, daß ein senkrecht durch das flächig ausgebildete Modul hindurchgeführter Wärmestrom zur Herstellung einer Hot-Melt-Klebung gewünscht ist. Die Ausspa­ rungen innerhalb der metallischen Kontakte sind derart pla­ ziert, daß eine parallel zum flächig ausgebildeten Chipmodul geführte Wärmeleitung innerhalb der elektrischen Kontakte nach innen durch die eingebrachten Aussparungen unterbunden wird. Dadurch wird die Durchwärmung des Chipmodules während der kurzzeitigen Hot-Melt-Einbauzeit durch konstruktive Maßnahmen verhindert. Die Schicht der metallischen Kontakte, die die beste Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird somit in der entsprechenden Richtung teilweise unterbrochen. Die auf der Innenseite eines Chipmodules vorliegende Epoxy-Glasfaser- Verbundschicht besitzt eine um Größenordnungen geringere thermische Leitfähigkeit, wodurch diese Schicht hinsichtlich der oben genannten Zielsetzung keine Bedeutung hat. Die Aussparungen sind in der Regel Langlöcher, um eine entspre­ chend breite Wärmebarriere innerhalb des Umrisses eines Hohlstempels darzustellen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausfüh­ rungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine ausschnittsweise Schnittdarstellung mit der relativen Positionierung eines Hohlstempels beim Einbau eines Chipmodules in einen Kartenkörper,

Fig. 2 zeigt eine Darstellung entsprechend Fig. 1 mit einer zusätzlichen Wärmeisolierschicht zwischen flexibler Trägerfolie und Chip,

Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Chipmodules, wobei innerhalb der Schicht der Metallkontakte 10 Aussparungen 11 vorhanden sind,

Fig. 4 zeigt schematisch die Draufsicht auf die Metallkon­ takte, wobei die Aussparungen und der Umriß des Chips angedeutet sind.

Mittels der Erfindung ist eine Delamination der Abdeckmasse im Chipbereich beim Hot-Melt-Einbauverfahren beim Einbau von Modulen mit einer Goldinsel in die Kartenkörper vermeidbar. Bei dem Hot-Melt-Moduleinbauverfahren wird mittels eines Hohlstempels 1 mit relativ hoher Temperatur von beispielswei­ se 200°C unter Krafteinwirkung mit entsprechender Zeitsteue­ rung ein Chipmodul entsprechend Fig. 1 auf den Kartenkörper geklebt. Die Fig. 1 zeigt dabei im einzelnen den Hohlstempel 1, der auf dem flexiblen Trägerband 2 des Chipmoduls auf­ setzt. Da an dieser Stelle die nach außen sichtbaren Metall­ kontakte positioniert sind, wird der Hohlstempel 1 auf diese aufsetzen. Nach innen weist das Chipmodul eine Klebstoff­ schicht 8 auf, mittels der der Chip 3 auf dem Trägerband 2 positioniert und fixiert ist. Ein Versteifungsrahmen 4 ist ebenfalls auf dem Trägerband 2 angeordnet und umgibt den Chip 3. Die Abdeckmasse 51 schützt den Chip 3 und seine zu den Kontakten geführten elektrischen Verbindungen vor Korrosion und mechanischem Einfluß von außen. Das Chipmodul wird mittels des Hot-Melt-Klebstoffes 6 in den Kartenkörper 7 eingeklebt.

Um die in Fig. 1 vorhandene Möglichkeit, daß eine wesentli­ che Wärmemenge vom Hohlstempel 1 über das Trägerband 2 und den Klebstoff 8 direkt in den Chip 3 fließt, auszuschließen, ist in der der Fig. 1 entsprechenden Darstellung der Fig. 2 zusätzlich eine Wärmeisolierschicht 9 eingebracht worden. Damit wird verhindert, daß die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Chip (beispielsweise Silizium), Abdeckmasse und flexiblem Trägerband zum Tragen kommen und Schäden durch starke thermomechanische Kräfte bei einer hohen Temperatur verursachen. Diese Kräfte treten auf, wenn hohe Temperaturen, beispielsweise beim Einbauverfahren des Chip­ moduls in das Gesamtsystem eingebracht werden. Dies kann zu Delaminierungen führen. Die Abdeckmasse kann sich dabei vom Chip lösen und verursacht Funktionsausfälle des Modules, beispielsweise durch Beschädigung der elektrischen Leiter zwischen Chip und Außenkontakten.

Durch Aufbringen einer Polyimidschicht auf die Chiprückseite können die Delaminierungserscheinen eliminiert werden. Polyi­ mid weist einen niedrigen Wärmeleitwert auf, so daß Polyimid als Hitzebarriere einsetzbar ist. Dadurch werden die thermo­ mechanischen Kräfte zwischen Chip 3 und Abdeckmasse 5 redu­ ziert. Während dessen wird die für die Klebung notwendige Wärme des Heizstempels 1 in den Hot-Melt-Klebstoff 6 fließen, um die Verbindung herzustellen. Das Polyimid wird im Wafer­ prozeß auf die Scheibenrückseite aufgebracht. Die thermische Wärmeleitfähigkeit von Polyimid ist so gering, daß selbst eine Schichtdicke von nur 10 µm Polyimid ausreicht, wie Vorversuche ergeben haben.

Die Wärmeisolierschicht 9 ist aufgrund des Materialkennwertes für die Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise eine Polyimidschicht. Die Verwendung von anderen Wärmeisolatoren ist jedoch genauso möglich. Da das Polyimid in einfacher Weise im Waferprozeß auf die Waferrückseite aufgebracht werden kann, ist diese Materialauswahl sehr vorteilhaft.

In Fig. 3 ist ein Chipmodul in Verbindung mit einem aufsit­ zenden Hohlstempel 1 dargestellt. Das Trägerband 2 weist auf der einen Seite die Metallkontakte 10 auf und gegenüberlie­ gend ungefähr konzentrisch dazu angeordnet, den Chip 3. Die Abdeckmasse 52 schützt die aktive Seite des Chips 3, sowie dessen Kontaktierung mit den Metallkontakten 10. Es ist deutlich sichtbar, daß mittels Aussparungen 11 ein lateraler, im Bild seitlich gerichteter, Wärmefluß vom Hohlstempel 1 in Richtung auf den Chip unterbunden wird. Ein im Schnitt von oben nach unten ausgerichteter Wärmefluß vom Hohlstempel 1 über die Metallkontakte 10 und über das Trägerband 2, wird nicht behindert.

In der Fig. 4 werden die derzeit üblichen Kontakte einer Chipkarte dargestellt. Die Metallkontakte 10 sind im wesent­ lichen in zwei, relativ zum Chip 3 gegenüberliegenden Reihen angeordnet. Der Chipumriß 12 deutet die zentrale Lage des Chips 3 an. Der innere Umriß 13 des Hohlstempels 1 und der äußere Umriß 14 des Hohlstempels 1 bilden konzentrisch inein­ anderliegende Rechtecke. Die als Langloch ausgebildeten Aussparungen 11 verhindern an den Stellen, an denen nicht ohnehin zur Begrenzung der einzelnen Metallkontakte 10 vor­ handene Unterbrechungen in der Metallschicht vorgesehen sind, den Wärmefluß nach innen, d. h. in Richtung auf den relativ zur Aussparung 11 gegenüberliegend montierten Chip 3.

Die Erfindung kann sowohl auf Module mit einer Goldinsel angewandt werden, als auch auf andere Module, die keine derartige Goldinsel aufweisen.

Claims (6)

1. Chipmodul zum Einbau in einem Kartengrundkörper (7) einer Chipkarte, bestehend aus

• - einem flexiblen Trägerband (2),
• - einseitig auf dem Trägerband (2) aufgebrachten flächigen Metallkontakten (10),
• - mindestens einem auf der den Kontakten gegenüberliegenden Seite des Trägerbandes (2) aufgebrachten elektronischen Bauelement (3), das elektrisch mit den Kontakten verbunden ist, und
• - einer vorgegebenen Fläche auf dem Trägerband (2), über die das Chipmodul mit dem Kartengrundkörper (7) verbindbar ist,

wobei zwischen dem elektronischen Bauelement (3) und der auf dem Trägerband (2) vorhandenen Klebstoffschicht (8) eine Wär­ meisolierschicht (9) vorhanden ist.

2. Chipmodul nach Anspruch 1, worin die Wärmeisolierschicht (9) aus Polyimid besteht.

3. Chipmodul nach Anspruch 2, worin die Polyimidschicht eine Stärke von 10 µm aufweist.

4. Chipmodul zum Einbau in einem Kartengrundkörper (7) einer Chipkarte, bestehend aus

• - einem flexiblen Trägerband (2),
• - einseitig auf dem Trägerband (2) aufgebrachten flächigen Metallkontakten (10),
• - mindestens einem auf der den Kontakten gegenüberliegenden Seite des Trägerbandes (2) aufgebrachten elektronischen Bauelement (3), das elektrisch mit den Kontakten verbunden ist, und
• - einer vorgegebenen Fläche auf dem Trägerband (2), über die das Chipmodul mit dem Kartengrundkörper (7) verbindbar ist,

wobei innerhalb der Fläche der Metallkontakte (10) Aussparun­ gen (11) vorgesehen sind, die den Wärmefluß eines ringförmig im Außenbereich der Metallkontakte (10) aufsetzenden Hohl­ stempels (1) in Richtung auf das zentral montierte elektroni­ sche Bauelement (3) unterbinden.